KR101739701B1 - 초음파 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초음파 발생 장치는, 물이 수용되는 수용 바디와, 상기 수용 바디의 하부면을 구성하는 바닥면과, 상기 바닥면에 형성된 홀을 관통하여 진동자가 노출되도록 구성된 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 바닥면을 관통하여 수용 바디 내측으로 노출되도록 마련되는 진동자 바디와, 상기 진동자 바디의 하부에서 외측 방향으로 돌출되도록 형성된 진동자 캡과, 상기 진동자 바디 하측에 결합되는 제 1 압전 소자와, 상기 제 1 압전 소자 하측에 결합되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 하측에 결합되는 제 2 압전 소자와, 상기 제 2 압전 소자 하측에 결합되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 진동자 바디의 상부면은 기설정된 곡률반경을 갖으면서 상측으로 볼록한 형상으로 이루어지고, 상기 진동자 바디는 상기 진동자 캡으로부터 상기 상부면으로 갈수록 그 굵기가 점차 커지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 발생 장치{Apparatus for generating ultrasonic}

본 발명은 초음파 세척기에 있어서의 압전 세라믹 초음파 트랜스듀서가 구성된 초음파 발생장치에 대한 것으로서, 특히, 진동자가 직접 물에 노출되도록 구성되어, 물에 대한 초음파 전달 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 초음파 트랜스듀서에 대한 것이다.

초음파 압전 트랜스듀서는 전형적으로 트랜스듀서 소자의 노출된 외부 표면과 접촉하는 전파 매질에서 고주파 압력파를 생성하기 위하여 시간에 따라 변화하는 구동 전압에 응답하여 진동할 수 있는 압전 소자를 포함한다.

이러한 고주파 압력과는 다른 매질로 전파할 수 있다.

압전 소자는 공진 주파수 부근에서 가장 큰 변위를 일으키므로, 초음파 구동을 위한 전자 회로가 압전 소자의 공진 주파수 부근의 고주파 전력을 압전 소자에 인가하면 압전 소자는 소자의 표면으로부터 발산하게 되며, 이 초음파 에너지에 의하여 세척기, 의료기 등에 효과를 발휘하게 된다.

일반적으로, 세척기용 진동자 전극은 진동자의 한쪽 면에서 외부 전원과 전기적 연결이 이루어지고, 이것은 물에 노출된 쪽에서 전기를 공급하는 쪽으로 물이 침투하지 못하게 하기 위해 방수 구조를 가지면서 진동자의 양쪽면에 전계를 인가해야 하므로, 이러한 구조를 갖고 있다.

초음파 진동자의 경우, 세척기의 바닥면의 후면에 밀착 고정되는 것이 일반적이고, 진동자에서 발생하는 초음파 진동이 세척기 바닥면의 후면에 최대한 밀착시켜 진동의 전달 효율을 높이는데 많은 연구가 이루어지고 있다.

그러나, 종래의 일반적인 초음파 트랜스듀서는 바닥면의 후면(즉, 물과 직접 닿지 않는 쪽)에 최대한 밀착시키고자 하고 있으나, 세척기 바닥면이라는 별도의 부재를 초음파 진동이 통과하여야 한다는 점에서 효율 저하는 불가피한 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 착안하여 제안되는 것으로서, 매질이 되는 물에 직접 노출될 수 있는 초음파 트랜스듀서를 제안함으로써, 초음파 세척기의 바닥면과 같이 효율을 저하시키는 부재를 거치지 않고 곧바로 물로 초음파 진동이 전달될 수 있는 장치를 제안하고자 한다.

그리고, 물 속에서 진동자의 초음파 진동효율을 더욱 향상시키기 위하여 초음파 진동을 전달하기 위한 전면부가 상측으로 갈수록 물과이 접촉 면적이 늘어나는 형상으로 이루어진 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 초음파 발생 장치는, 물이 수용되는 수용 바디와, 상기 수용 바디의 하부면을 구성하는 바닥면과, 상기 바닥면에 형성된 홀을 관통하여 진동자가 노출되도록 구성된 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 바닥면을 관통하여 수용 바디 내측으로 노출되도록 마련되는 진동자 바디와, 상기 진동자 바디의 하부에서 외측 방향으로 돌출되도록 형성된 진동자 캡과, 상기 진동자 바디 하측에 결합되는 제 1 압전 소자와, 상기 제 1 압전 소자 하측에 결합되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 하측에 결합되는 제 2 압전 소자와, 상기 제 2 압전 소자 하측에 결합되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 진동자 바디의 상부면은 기설정된 곡률반경을 갖으면서 상측으로 볼록한 형상으로 이루어지고, 상기 진동자 바디는 상기 진동자 캡으로부터 상기 상부면으로 갈수록 그 굵기가 점차 커지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제안되는 바와 같은 본 발명의 초음파 발생 장치에 의해서, 물에 직접 진동자가 노출되는 구조이더라도, 수용 바디의 바닥면에 밀착 고정될 수 있으며, 진동자가 갖는 형상에 의하여 물로의 초음파 진동의 전달 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

제안되는 구성에 의해서, 초음파 세척기의 세척 효율을 더욱 향상시킬 장점이 있다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 초음파 발생 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 초음파 발생 장치를 구성하는 고정 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 초음파 발생 장치를 구성하는 초음파 트랜스듀서의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 초음파 트랜스듀서의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 초음파 트랜스듀서의 단면도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예들에 대해서 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 이러한 구체적인 세부사항 없이도 실시 될 수 있다는 것은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다. 이하의 설명에서 "실시예"에 대한 본 명세서 참조는 실시 예와 관련하여 기술된 특정한 특징, 구조, 기능, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에 "실시 예에서" 라는 어구의 출현은 반드시 본 발명의 동일한 실시 예를 의미하지는 않는다. 또한, 특정한 특징, 구조, 기능, 또는 특성은 하나 이상의 실시 예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 제 1 실시 예는 두 개의 실시 예가 상호 배타적이지 않으면 어디서든 제2 실시 예와 결합될 수 있다.

이들의 유도체와 함께 "결합된(coupled)" 및 "접속된(connected)"이라는 용어는 여기서 구성 요소 사이의 구조적 관계를 설명하는데 사용될 수 있다. 그러나, 이들 용어는 서로에 대한 동의어로서 의도된 것이 아님을 이해해야 한다. 오히려, 특정 실시 예에서, "접속된(connected)"은 둘 이상의 요소가 서로 직접적으로 물리적 또는 전기적 접촉을 하는 것을 나타내기 위해 사용될 수 있다. "결합된(coupled)"은 둘 이상의 요소가 서로 직접 또는 간접적으로(그들 사이에 다른 중간개제 요소를 가지고) 물리적 또는 전기적 접촉을 하거나, 및/또는 두 개 이상의 요소가 서로 함께 동작(co-operate)하거나 또는 상호 작용한다는 표시로 사용될 수 있다.

여기에서 사용된 용어 "~전체에 걸쳐(over)", "아래(under)", "사이(between)" 및 "위(on)"는 하나의 구성요소 또는 성분층(material layer)에 관한 다른 하나의 구성요소 또는 성분층의 상대적 위치를 언급하며, 그러한 물리적 관계는 어셈블리의 문맥(context)에서 또는 마이크로머신 스택(stack)의 성분층의 문맥에서 기계적 구성 요소에 대해 주목할만하다. 다른 층(구성요소) 위 또는 아래 배치된 하나의 층(구성요소)은 다른 하나의 층(구성요소)과 직접적으로 접촉하거나 또는 하나 또는 그 이상의 중간개재 층(구성요소)을 가질 수 있다. 또한, 두층(구성요소)사이에 배치된 하나의 층(구성요소)은 두 층(구성요소)과 직접 접촉할 수 있거나 또는 하나 또는 그 이상의 중간개재 층(구성요소)을 가질 수 있다. 대조적으로, 제2 층(구성요소) "위(on)"의 제1 층(구성요소)는 제2 층(구성요소)과 직접 접촉한다.

종래의 압전 트랜스듀서 설계는 일반적으로 트랜스듀서의 전체 압전 소자를 커버하는 전극을 포함한다. 전극은 초음파를 발생하기 위하여 압전 소자 진동을 여기하는데 사용된다. 반면에, 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시 예에 따르면, 한 쌍의 전극이 구성되고, 각각의 전극에는 피에조로 구성된 압전 소자들이 구성되므로, 2개의 전극과 2개의 압전 소자가 교대하여 순서대로 배열된 구조를 갖는다. 이들 각 전극들은 독립적인 전극 레일 또는 버스와 결합될 수 있으며, 각각 선택가능한 위상을 갖는 별도의 구동 신호에 의하여 독립적인 전기 전위로 구동되는 것도 가능하다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 초음파 발생 장치의 구성을 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 물이 채워지는 수용 바디(10)와, 상기 수용 바디(10)의 바닥면(11)을 관통하여 진동자가 돌출되도록 구성되는 초음파 트랜스듀서(100)와, 상기 바닥면(11)의 일측에 형성되어 이물질 등을 걸르기 위한 필터부(20)를 포함한다.

특히, 상기 초음파 트랜스듀서(100)는 상기 바닥면(11)을 진동자가 관통하도록 구성되고, 상기 바닥면(11)에는 복수개의 초음파 트랜스듀서가 배열된다.

본 발명에 따르면, 초음파 트랜스듀서(100)를 구성하는 진동자가 매질인 물에 직접 접촉할 수 있도록 바닥면(11)을 관통하여 형성되고, 물과의 접촉 면적을 넓혀 진동 효율을 더욱 향상시키기 위하여 상기 진동자는 물을 향하는 방향인 상측으로 갈수록 접촉 면적이 넓어지는 형상으로 이루어진다. 상기 초음파 트랜스듀서에 대해서는 첨부되는 도면과 함께 아래에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 3과 도 4는 본 발명의 초음파 발생 장치를 구성하는 고정 부재를 설명하기 위한 도면이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 전극과 압전 소자 등을 이용하여 초음파 진동을 발생시키는 초음파 트랜스듀서(100)는 수용 바디(10)의 바닥면(11) 후면에 진동자를 고정시키기 위한 고정 부재를 포함한다.

고정 부재는 초음파 트랜스듀서를 구성하는 것으로서, 전극 및 압전 소자 등의 구성요소가 수용 바디의 바닥면(11) 후면(바깥쪽)에 결합될 수 있도록 하는 역할을 수행하고, 고정 수단(170), 패킹 플레이트(181), 제 1 패킹부(182) 및 제 2 패킹부(183)를 포함한다.

본 발명에서는, 진동자를 구성하는 진동자 캡(111)과 함께 상기 패킹 플레이트(181), 제 1 및 제 2 패킹부(182,183)를 이용하여 바닥면(11)에 밀착 고정되도록 한다.

먼저, 상기 고정 수단(170)은 전극, 압전 소자를 포함하는 진동자를 바닥면(11)의 후면에 밀착 고정하기 위한 것으로서, 진동자(110)에서 외측으로 돌출되도록 형성된 진동자 캡(111)에 밀착되는 제 1 고정 단부(171)와, 바닥면(11)의 후면에 접하도록 형성된 제 2 고정 단부(172)를 포함한다.

상기 제 1 고정 단부(171)로부터 제 2 고정 단부(172)까지 이어지는 형상은 'ㄷ'자 또는 'ㄱ(L)'자 형상으로 이루어지고, 상기 제 1 고정 단부(171)는 진동자 캡(111)에 접촉하고, 제 2 고정 단부(172)는 바닥면(11) 후면에 접촉하므로, 상기 제 1 고정 단부(171)의 길이가 상대적으로 짧게 형성된다.

진동자(110)에서 외측 방향으로 소정 두께 돌출형성된 진동자 캡(111)의 상하면에는 제 1 패킹부(182)와, 제 2 패킹부(183)가 배치되어, 상기 진동자 캡(111)의 초음파 진동이 외측으로 누설되는 것을 억제한다.

그리고, 밀착력을 향상시키기 위하여, 상기 제 1 패킹부(182)와 제 1 고정 단부(171) 사이에는 추가적으로 진동 누설을 억제하면서 고정 수단/부재의 바닥면(11) 후면에의 결속력을 향상시키기 위한 패킹 플레이트(181)가 더 구성된다. 상기 패킹 플레이트(181), 제 1 및 제 2 패킹부(182,183)은 상기 진동자의 몸체가 통과할 수 있는 크기의 홀이 있는 링 형상으로 이루어진다.

한편, 패킹 플레이트(181), 제 1 패킹부(182) 및 제 2 패킹부(183)는 바닥면(11) 후면으로 밀착되는 힘을 소정의 탄성을 가지면서 밀착력을 높이기 위한 고무 등의 탄성 물질로 이루어질 수 있다.

도 4의 단면도에 도시된 바와 같이, 제 2 고정 단부(172)는 바닥면(11) 후면에 밀착되고, 제 1 고정 단부(171)는 패킹 플레이트(181)에 밀착된다.

그리고, 고정 부재로서, 고정 수단 및 패킹부와 패킹 플레이트를 밀착시키기 위하여, 상기 고정 수단(170)의 상부면에는 고정 볼트가 관통하는 홀과, 고정 볼트에 체결되는 너트가 더 구성된다. 고정 볼트는 상기 고정 수단(170)을 관통하여 바닥면(11) 후면에 그 일측이 접하도록 구성된다.

상기와 같은 고정 부재에 의하여 바닥면(11) 후면에 밀착 고정되는 초음파 트랜스듀서의 구성에 대해서 설명하여 본다.

도 5는 본 발명의 초음파 발생 장치를 구성하는 초음파 트랜스듀서의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 초음파 트랜스듀서의 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명의 초음파 트랜스듀서의 단면도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 초음파 트랜스듀서(100)는 전극 및 압전 소자에 의하여 발생된 초음파를 매질인 물에 접한 상태로 직접 전달하는 진동자(110)와, 상기 진동자(110)의 하부를 형성하면서 전극 및 압전 소자를 진동자(110)측에 밀착 고정시키는 후면 지지부(140)와, 상기 후면 지지부(140) 및 진동자(110) 사이의 결합이 이루어지도록 하는 체결 수단(150)을 포함한다. 특히, 상기 진동자(110)를 구성하는 진동자 바디(112), 진동자 캡(111)은 세라믹 소재로 구성되어, 물에 직접 접하더라도 매질인 물로 초음파 진동이 효과적으로 전달되도록 구성된다.

초음파 트랜스듀서를 구성하는 각 구성요소들이 체결 수단(150)에 의하여 함께 결합되므로, 각 구성요소의 제조 후 조립공정이 용이한 장점이 있다.

좀 더 상세히 각 구성을 설명하면, 상기 진동자(110)는 제 1 압전 소자(121) 상에 배치되는 진동자 바디(112)와, 상기 진동자 바디(112)의 외주면으로부터 외측 방향으로 소정 두께 돌출되도록 형성된 진동자 캡(111)과, 상기 진동자 바디(112)의 상부에 형성되어 상기 진동자 캡(111) 보다는 작은 높이로 외측 방향으로 돌출형성되는 진동자 상측 돌출부(114)를 포함한다.

그리고, 상기 진동자(100)의 상부면(115)은 직접 접촉된 물에 초음파 진동을 보다 넓은 면적에서 전달하기 위하여 기설정된 곡률 반경을 갖으면서 가운데 영역이 상측으로 돌출되는 형상으로 이루어져, 돔 구조를 갖는다.

상기 진동자 캡(111)과 바닥면(11)의 후면 사이에는 앞서 설명한 제 2 패킹부(183)가 위치하며, 상기 진동자 캡(111)은 고정 부재를 이용하여 진동자(100)가 바닥면(11)에 고정되도록 하는 역할을 수행한다. 상기 진동자 캡(111)은 상기 진동자 바디(112)의 하측부위에서 상기 진동자 바디(112)를 감싸는 형상으로 이루어져 마치 링 형상의 띠가 형성된 것으로 볼 수 있다.

한편, 상기 진동자 바디(112)는 상기 진동자 캡(111)이 위치한 하부에서 상부면(115)이 위치한 상부로 갈수록 점차 그 크기 및 직경이 커지는 형상으로 이루지고, 이것은 물로의 진동 전달 효율을 더욱 향상시키기 위함이다.

그리고, 상기 진동자 바디(112)의 상부에는 상기 진동자 캡(111)보다 작은 두께로 돌출형성되는 진동자 상측 돌출부(114)가 형성되고, 상기 진동자 상측 돌출부(114)가 형성됨으로써, 상기 진동자 상측 돌출부(114)와 진동자 바디(112) 사이에는 소정 높이의 단차부(113)가 형성된다. 상기 단차부(113) 및 진동자 상측 돌출부(114)에 의하여 수평 방향(예를 들면, 좌우측 방향)으로의 진동 전달에서도 높은 효율을 갖도록 한다.

또한, 상기 진동자 바디(112) 하측에는 제 1 압전 소자(121), 제 1 전극(131), 제 2 압전 소자(122) 및 제 2 전극(132)이 순차적으로 배열 구성되며, 상기 제 1 전극(131)과 제 2 전극)을 통해 전기 신호가 인가되며, 상기 제 1 및 제 2 압전 소자(121,122)는 전기적 신호에 의해 압전(piezoelectric) 효과에 의한 진동을 일으키며 이러한 진동에 의해 초음파가 생성된다.

상기 제 1 압전 소자(121)와 제 2 압전 소자(122) 사이에 제 1 전극(131)이 위치하고, 상기 제 2 압전 소자(122) 하측에 제 2 전극(132)이 구성됨으로써, 각 전극으로 인가되는 전기 신호에 의한 압전 효과가 제 1 및 제 2 압전 소자를 통해서 발생하므로, 보다 높은 초음파 생성효율을 유지할 수 있다.

제 2 전극(132) 하측에는 후면 지지부(140)가 구성되고, 상기 후면 지지부(140) 내부에는 각각의 구성요소들을 결합시키기 위한 체결 볼트(151)가 관통할 수 있는 홀이 형성된다. 상기 후면 지지부(140) 뿐만 아니라, 상기 제 1 및 제 2 전극과, 제 1 및 제 2 압전 소자에도 상기 체결 볼트(151)가 통과 및 결합되는 홀이 형성되고, 상기 진동자 바디(112)에도 상기 체결 볼트(151)가 삽입 및 고정될 수 있는 홈이 형성된다. 또한, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 진동자 바디(112)에도 상기 체결 볼트(151)의 일부가 삽입될 수 있는 크기의 홈이 구성된다.

그리고, 상기 체결 볼트(151)와 결합되는 체결 너트(150)는 상기 후면 지지부(140) 하부면에 결합된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의해서, 물에 직접 진동자가 노출되는 구조이더라도, 수용 바디의 바닥면에 밀착 고정될 수 있으며, 진동자가 갖는 형상에 의하여 물로의 초음파 진동의 전달 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 초음파 세척기에 포함되는 초음파 발생 장치로서,
   물이 수용되는 수용 바디와,
   상기 수용 바디의 하부면을 구성하는 바닥면과,
   상기 바닥면에 형성된 홀을 관통하여 진동자가 노출되도록 구성된 초음파 트랜스듀서를 포함하고,
   상기 초음파 트랜스듀서는 상기 바닥면을 관통하여 수용 바디 내측으로 노출되도록 마련되는 진동자 바디와, 상기 진동자 바디의 하부에서 외측 방향으로 돌출되도록 형성된 진동자 캡과, 상기 진동자 바디 하측에 결합되는 제 1 압전 소자와, 상기 제 1 압전 소자 하측에 결합되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 하측에 결합되는 제 2 압전 소자와, 상기 제 2 압전 소자 하측에 결합되는 제 2 전극을 포함하고,
   상기 진동자 바디의 상부면은 기설정된 곡률반경을 갖으면서 상측으로 볼록한 형상으로 이루어지고,
   상기 진동자 바디는 상기 진동자 캡으로부터 상기 상부면으로 갈수록 그 굵기가 점차 커지는 형상으로 이루어지고,
   상기 진동자 캡에 결합하여 상기 초음파 트랜스듀서를 상기 바닥면의 후면에 밀착 및 고정시키기 위한 고정 부재를 더 포함하고,
   상기 고정 부재는 상기 진동자 바디가 통과할 수 있는 크기의 홀이 있는 링 형상으로 이루어진 패킹 플레이트, 제 1 및 제 2 패킹부와, 상기 패킹 플레이트, 제 1 및 제 2 패킹부를 상기 바닥면의 후면에 밀착시키기 위한 고정 수단을 포함하고,
   상기 제 2 패킹부는 상기 바닥면의 후면과 진동자 캡 사이에 구성되고, 상기 제 1 패킹부와 패킹 플레이트는 상기 진동자 캡과 상기 고정 수단의 제 1 고정 단부 사이에 구성되고, 상기 제 1 패킹부는 상기 진동자 캡과 패킹 플레이트 사이에 구성되고,
   상기 고정 수단은 상기 패킹 플레이트에 접하도록 돌출 형성된 상기 제 1 고정 단부와, 상기 제 1 고정 단부로부터 연장되도록 형성되며 상기 바닥면의 후면에 직접 접하도록 돌출형성된 제 2 고정단부를 포함하고,
   상기 고정 수단에는 고정 볼트가 관통하기 위한 홀이 형성되고, 상기 고정 볼트는 상기 제 2 고정 단부와 함께 상기 바닥면의 후면에 접하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 전극 하측에는 체결 볼트가 관통할 수 있는 홀이 형성된 후면 지지부가 결합되고,
   상기 제 1 및 제 2 압전 소자와, 제 1 및 제 2 전극에는 상기 체결 볼트가 관통할 수 있는 크기의 홀이 형성되고,
   상기 진동자 바디에는 상기 체결 볼트의 일부가 삽입될 수 있는 크기의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 진동자 바디의 상부에는 상기 진동자 바디의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출 형성된 진동자 상측 돌출부가 형성되고,
   상기 진동자 상측 돌출부와 진동자 바디 사이에는 단차부가 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생 장치.
4. 삭제
5. 삭제

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